基于艦船可靠性設計的參數測量風險評估方法研究*

章　婷　黃喜珍　吳　祺　何夢蕾　夏建超

(1.武漢第二船舶設計研究所校準檢測中心　武漢　430205)(2.92730部隊　三亞　572016)(3.92330部隊　青島　266012)

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基于艦船可靠性設計的參數測量風險評估方法研究*

章婷1黃喜珍2吳祺3何夢蕾1夏建超1

(1.武漢第二船舶設計研究所校準檢測中心武漢430205)(2.92730部隊三亞572016)(3.92330部隊青島266012)

摘要該文提出了一種基于艦船可靠性設計的參數測量風險概率評估方法。該方法將艦船設備的測量可靠性與系統可靠性設計相結合,通過“加權評估法”和“可靠性模型”,提出以系統參數為對象的測量風險概率計算模型。該方法為定量評價參數測量風險提供了理論支撐,為評估測量系統的技術性能提供了新的途徑。

關鍵詞可靠性設計; 測量風險; 評估模型; 測量設備; 參數測量

Class NumberTM930.115; TB114.3

1引言

一般特定量(參數)的值都必須通過測量才能獲得,而只要進行測量,就必然伴隨著不等于零的誤差或不確定度。當不等于零的誤差或不確定度超過容許的范圍時,就會導致出現負面結果(如因錯誤數據導致操縱失誤等),也就是所謂的測量風險[1]。參數的測量風險概率是指參數的測量結果超出最大允許誤差的概率[2],即

v=1-R

(1)

其中v為參數的測量風險概率,R為參數的測量可靠性,即參數的測量結果處于容差范圍內的概率。

由式(1)可知,通過計算參數的測量可靠性就能得到參數的測量風險概率。

基于“直接測量”的前提,參數的測量可靠性主要由對其進行測量的測試設備的可靠性決定。但隨著測量模型的復雜化以及可靠性設計方法的大量應用,艦船參數的測量可靠性還受到了可靠性設計程度的影響?；谂灤煽啃栽O計的參數測量風險概率評估方法的基本思想是在對艦船設備的可靠性進行建模的基礎上,引入可靠性設計方法對測量可靠性的影響評估,對測試設備的可靠性模型進行優化,再基于艦船設備冗余設計轉化為參數的測量可靠性,最后根據式(1)得到參數的測量風險概率。

2基于“加權評估法”的測試設備可靠性模型

測試設備的可靠性可以通過評價測試設備在一定時間間隔內其整體性能參數在規定技術指標范圍內的置信程度進行判斷。隨著測試設備使用時間的延長,其可靠性指標會隨著時間的推移不斷降低,即意味著測試設備的技術參數超出其規定的技術范圍內的概率將增大[3]。測試設備的可靠性模型是指通過對測量設備的可靠性參數建立相應的數學模型。目前,絕大多數的測試設備可靠性模型均是根據其故障的分布情況進行建模?；凇凹訖嘣u估法”的測試設備可靠性模型是在以故障分布建模的基礎上通過定性分析影響測試設備可靠性的因素,使用“加權評估法”[4～5]對各因素的加重權數和自重權數進行定量評估,得到測試設備的可靠性。具體步驟如下。

2.1測試設備可靠性的主要影響因素的自重權數ci

影響測試設備可靠性的因素主要有測試設備本身特征(如工作原理、結構型式與所用材質)、性能要求(如最大允許誤差、測量重復性與測量穩定性)以及使用情況(如環境條件、使用頻度與維護狀況)等三個方面[6]。即

(2)

在無約束條件下,可近似地認為各個因素對測試設備可靠性的影響程度基本相同,即各因素的加重權數c1=c2=c3=1/3。當有約束條件時,則應根據具體應用的特點,對加重權數進行調整。

2.2測試設備可靠性的主要影響因素的自重權數w

對各因素的具體特性進行分析評估,評估值范圍為0～1,分值越低說明對測試設備的可靠性產生越惡劣的影響。

(3)

其中,wi為各因素的自重權數,wij為各因素具體特性的評估值,m為各因素的具體特性數量。

2.3測試設備可靠性R

根據各因素的加重權數和自重權數,基于測試設備的故障特性分布,計算出測試設備的可靠性R0,公式如下:

(4)

其中,R0為測試設備的可靠性,r(t)為只考慮測試設備故障特性分布的可靠性模型。

由式(4)可知:當無約束條件下,wi均為1,R=r(t)。

3基于可靠性設計方法的艦船設備可靠性模型優化

隨著工業的迅猛發展,可靠性設計在產品研制中得到了全面推行和廣泛應用?？煽啃栽O計的本質是從單元、單元間的互相聯系以及環境三個角度挖掘、確定系統的薄弱環境(隱患),并采取針對的技術進行消除或控制。因此,可靠性設計在艦船設備的廣泛使用對其可靠性的各影響因素的自重權數w有較大的影響。

艦船可靠性設計方法主要分為三類[7]:單元級的故障預防、系統級故障預防以及環境影響最小化。單元級的故障預防方面,主要采用的可靠性設計方法有降額設計、裕度設計等;在系統級故障預防方面,主要采取的可靠性設計方法有冗余設計、容錯設計等;在環境影響最小化方面,主要包括環境載荷確定與分析以及環境防護設計等可靠性技術手段[2]。

3.1裕度設計對“本身特征”自重權數w1的影響

在機械可靠性設計領域,為保證結構的安全可靠,在設計中引入一個大于1的安全系數試圖來保障機械零件不發生故障,這種設計方法就是裕度設計方法[7]。裕度設計使得本身特征這一影響因素的自重權數隨著裕度設計的使用而增大,有:

(5)

3.2降額設計對“性能要求”自重權數w2的影響

產品的降額設計是使測試設備所承受的電應力和溫度應力適當地低于其額定值,從而達到降低基本故障率、提高使用可靠性的目的。性能要求這一影響因素的自重權數隨著降額設計的使用而增大[7],有:

(6)

3.3環境防護設計對“使用情況”自重權數w3的影響

環境防護設計是對產品所經歷的環境載荷進行識別后,通過控制環境和/或適應環境的方式采用環境防護措施,保證在遭受多種環境因素綜合作用的情況下,測試設備也能安全可靠地工作。環境條件往往同時包含多種環境載荷,形成綜合性環境,因此環境防護設計也是采用綜合性手段。常見的環境防護設計有熱環境防護、力學環境防護、電磁環境防護、空間輻射環境防護、防潮濕設計、防鹽霧腐蝕設計、防霉菌設計、防砂塵設計等[7]。引入環境防護設計程度系數η,則使用情況這一影響因素的自重權數隨著環境防護設計的使用而增大,有:

(7)

(8)

其中,ηi為各類環境防護程度系數,p為環境防護設計種類數。

3.4基于可靠性設計的艦船設備可靠性模型

根據以上分析,結合式(5)～式(8),優化后的艦船設備可靠性模型[8～9]如下:

(9)

4基于艦船可靠性設計的參數測量風險模型

在艦船設備/系統設計時,為保證測量數據的可靠性,對關鍵參數通常會采用多個具有相同測量原理的測試設備對同一參數進行測量,這種設計稱為測量的冗余設計,其可靠性模型可近似的看作為并聯模型。則艦船設備的參數測量可靠性模型[7]如下

(10)

假設各測試設備的測量原理基本相同且互相獨立,則參數測量可靠性模型為

R=1-(1-R′)q

(11)

根據式(1)、式(9)可知,基于可靠性設計的參數測量風險概率為

(12)

5基于艦船可靠性設計的參數測量風險模型的實例

假如某型號某系統中測量某一參數時,該系統與該參數相關的可靠性設計指標如表1所示。

表1　某參數測量相關的可靠性設計指標一覽表

假設用于測量該參數的設備屬于電子類產品和設備,可以認為該設備的可靠性參數與使用時間服從指數函數分布[10～11]。該根據式(11)可知:在無約束條件下,該參數的測量風險概率為

根據以上的測量風險概率,結合該參數的測量風險的嚴重程度評估值,即可得到該參數的測量風險,從而評價該風險的可接受度以及制定相應的風險控制措施。同時,可根據所評估的測量風險概率評價測量系統中該參數的技術指標制定的合理性。

6結語

針對參數測量的復雜化和可靠性設計方法的大量應用,以工程應用實際為基礎,提出了以參數為關注點的測量風險概率評估思路,并基于艦船設備的可靠性模型和可靠性設計方法特點提出了參數的測量風險概率評估方法。該方法在原有的統計信息基礎上增加了主觀工程信息和艦船可靠性設計信息,對參數測量風險概率的估計更準確,具有更強的應用性。該文是從多角度評估參數測量風險概率的初步探討,其中對各因素自重權數的評估方法有待進一步研究。

參 考 文 獻

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收稿日期:2016年1月12日,修回日期:2016年2月23日

作者簡介:章婷,女,碩士,高級工程師,研究方向:艦船計量。黃喜珍,男,工程師,研究方向:艦船維修性。吳祺,男,工程師,研究方向:艦船維修性。何夢蕾,男,工程師,研究方向:艦船計量。夏建超,男,碩士,助理工程師,研究方法:艦船計量。

中圖分類號TM930.115; TB114.3

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.07.008

Risk Evaluation Model of Parameter Measurement Based on Reliability Design for Warship

ZHANG Ting1HUANG Xizhen2WU Qi3HE Menglei1XIA Jianchao1

(1. Calibration and Testing Center, Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan430205)(2. No. 92730 Troops of PLA, Sanya572016)(3. No. 92330 Troops of PLA, Qingdao266012)

AbstractA new evaluation method of the parameter measurement risk based on reliability design is presented in the paper. Based on the Weight Estimation and reliability model, the calculated model of measurement risk probability is described. The equipment’s measurement reliability and system’s reliability design are fully taken into account in this approach. It provides a theoretical support for the quantitative assessment of parameter measurement risk. And this modeling would be a helpful step to the performance valuation of measuring systems.

Key Wordsreliability design, measurement risk, evaluation model, measurement equipment, parameter measurement